1、2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2收稿日期:20221014大工件高精度内孔圆柱度的自动测量方法研究郝健1，2，封善斋1，2，李醒飞1(1天津大学，天津300072;2海克斯康制造智能技术(青岛)有限公司，山东青岛266114)摘要:针对非回转体类大尺寸工件的高精度内孔圆柱度测量难题，提出一种新的测量方法。通过对圆柱度误差的评定方法和采点方式的分析对比，确定比对式接触测量方式。以卫星观测跟踪支架为例，确定测量点提取方案采用鸟笼法，评价方法采用最大内接圆柱法，圆柱度测头采用高精度传感器 3个截面布置，每个截面
2、圆周均布 8 个传感器方式，高精度驱动机构带动测头进入内孔自动完成测量，通过圆柱度的软件算法自动计算出圆柱度，并分析测量结果，其测量误差符合测量仪器的最大允许误差为工件公差的 1/10 原则，测量结果完全符合工件的精度要求。整体测量方案集成三坐标测量机和圆柱度测量专机，实现整个工件的自动化智能检测。关键词:大尺寸工件;高精度内孔;圆柱度;自动测量;三坐标测量机中图分类号:TB92文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02007806esearch on Automatic Measurement Method of High PrecisionCylindricity of In
3、ner Hole for Large WorkpieceHAO Jian1，2，FENG Shan-zhai1，2，LI Xing-fei1(1Tianjin University，Tianjin 300072，China;2Hexagon Manufacturing Intelligence(Qingdao)Co，Ltd，Qingdao 266114，China)Abstract:A new measurement method was proposed that solve the problem of high precision cylindricity measurement of
4、in-ner hole for non-rotating large size workpiecesThrough the analysis and comparison of cylindricity error evaluation method andsampling method，the comparative contact measurement method was determinedTaking the satellite observation and tracking sup-port as an example，the bird-cage method was used
5、 for measurement point extraction scheme，the maximum inscribed cylindermethod was used as the evaluation method，the cylindricity measuring head was arranged in three sections with high-precision sen-sors，and the circumference of each section was evenly distributed with eight sensorsThe high-precisio
6、n driving mechanism drovethe probe into the inner hole to automatically complete the measurement，the cylindricity was automatically calculated through thecylindricity software algorithm，and the measurement results were analyzedThe measurement error complied with the principle thatthe maximum allowab
7、le error of the measuring instrument is 1/10 of the workpiece tolerance，and the measurement results fullymet the precision requirements of the workpieceThe overall measurement scheme integrates CMM and cylindricity measuring ma-chine to realize automatic and intelligent detection of the whole workpi
8、eceKeywords:large size workpiece;high precision inner hole;cylindricity;automatic measurement;coordinate measuring machine0引言随着先进制造业的快速发展，对于重要零部件的结构设计、制造工艺和加工精度要求也越来越高，特别是许多高精度配合的轴类和孔类零件对其纵向剖面和横向剖面的形位公差要求都比较高，比如机床主轴、高精密测量仪主轴、阀套、阀体、柱塞、油缸孔、滚动轴承滚珠及滚柱等，都是以圆柱度误差来控制的，且其圆柱度的精度要求都很高，一般已达到 m 级甚至更高的加工精度。圆柱度是一
9、项评价圆柱面质量的综合性能指标，它的具体含义综合考虑了某些特殊行业对于产品实际应用的要求。目前对于小的回转体类工件，如果只需要测量圆柱度、圆度等形状公差且精度要求较高时，一般放在圆柱度仪上来完成测量1。对于较大工件，圆柱度精度要求不高且还需要测量圆柱度之外的其他特征时，一般会选择在三坐标测量机上完成。但对于大尺寸非回转体工件，且其所要求的回转面圆柱度精度较高，一般要求5 m 以内，如果在三坐标测量机上测量，由于工件尺寸较大，则需要第 2 期郝健等:大工件高精度内孔圆柱度的自动测量方法研究79选择大量程三坐标，整体精度下降，这样圆柱度精度就很难达到要求。如果在圆度仪上测量，由于工件尺寸较大且是非
10、回转体，也不能完成检测。对于大尺寸且非回转体工件，圆柱度精度较高，一般为 m 级精度，特别是要求自动检测时，目前没有有效的检测方法。本文通过对圆柱度误差的评定方法、采点方式及示例工件特征的分析，确定利用比对式测量方式，即先用标准环规对测头进行标定，然后再进行工件的测量。圆柱度测头采用高精度传感器多截面布置，每个截面圆周均布多个传感器方式，高精度驱动机构带动测头自动完成测量，通过圆柱度的软件算法自动计算出圆柱度，并可将数据结果自动保存和输出。通过对示例工件的综合分析，整体测量方案将采用三坐标测量机和圆柱度测量专机集成的方式，由圆柱度测量专机完成 2 个高精度内孔的圆柱度误差的检测，三坐标测量机来
11、完成其余特征的检测，并配合自动化上下料、自动装夹、自动启动测量、自动数据保存及测量结果提示等功能，实现整个工件的自动化智能检测。1圆柱度相关研究11圆柱度公差带圆柱度公差带是指两同轴圆柱面半径之差为所注公差值 t 的包络区域2，如图 1 所示。标注方式如图 2 所示，表示被测圆柱面必须位于半径差为公差值0002 mm 的两同轴圆柱面之间的区域3。圆柱度是形状公差中的一个评价项目，其含义是指实际圆柱表面要素对其理想圆柱表面要素的变动量，其实质是包容实际圆柱表面，而且两同轴圆柱表面的半径之差为最小。根据圆柱度误差评定原则，两同轴圆柱面紧紧包容实际圆柱面，且其半径之差为最小值时，即为最小的包容区域。
12、圆柱度误差指标是用于评价圆柱体的纵向剖切面素线平行度、横向剖切面圆度及轴心线的直线度的综合性能指标4。图 1圆柱度公差带示意12圆柱度误差分析圆柱度形状误差通常是由多个独立分量的加工误差组合而成，每个误差分量与其相对应的加工误差图 2圆柱度标注示例密切相关5。截面圆度是评价任意圆柱横剖面圆度的指标，圆柱的母线平行度是评价任意圆柱纵向轴剖面素线平行度的指标，圆柱的轴心线直线度是指圆柱的任意纵向轴剖面的轴心线空间直线度，锥形度是评价圆柱的横切面在沿轴向方向的直径变化的指标。截面圆度、母线平行度、轴心线直线度及锥形度，它们之间都有严格的区别和定义，且各自独立，它们之间没有任何转换关系。例如，一个圆柱
13、的母线平行度和圆柱轴心线的直线度都合格，但圆柱度不一定合格，因为它们都不能评价圆柱横截面圆度。因此，要全面控制圆柱表面的误差，必须采用圆柱度误差来对其评价，其中，圆柱度误差有如下形式6。121中心线误差一个圆柱体工件的误差基本特征表现为轴线(二维平面的或三维空间的)是弯曲的，但其任意横截面都是半径恒定的圆，中心线误差可用中线的直线度描述，如图 3 所示。图 3中心线误差122径向误差其误差特征表现为圆柱体工件的每个横截面的直径沿轴线按复杂规律、简单规律或随机变化，但其所有横截面均为同心圆。典型的误差形状包括:桶形、圆锥形或其他复杂的几何形状，径向误差可用圆柱素线轮廓度与圆柱中心轴线的平行度来进
14、行计算和精确描述，如图 4 所示。123截面形状误差其误差特征表现为圆柱体工件的所有横截面的形状一致、尺寸相等，但其截面形状并非圆形，包括由沿轴纵向旋转或延伸产生的横截面圆度误差，截面形状误差一般用横截面的圆度误差来评价，如图5 所示。80Instrument Technique and SensorFeb2023图 4径向误差图 5横截面误差13评价圆柱度误差的方法评价圆柱度误差的方法主要有最小区域法、最小外接圆柱法、最大内接圆柱法和最小二乘法。由于圆柱度误差是被测实际圆柱面对其理想圆柱面的空间变动量，故评价方法不同，理想圆柱面相对于被测表面的位置也不同，同一被测表面，用不同的评价方法所得的
15、圆柱度误差值不同7。131最小区域法半径差最小且能够包容被测圆柱表面的 2 个同轴圆柱面的半径之差即为圆柱度误差，其本质是寻找半径差为最小的包容被测实际圆柱面的两理想同轴圆柱面。与其他评价方法相比，采用最小区域法评价的圆柱度误差值最小，这种评价方法是否准确、可靠，是否满足实际应用，关键在于测量方法是否符合最小条件要求8。132最小外接圆柱法最小外接圆柱法评定圆柱度误差，是用最小外接圆柱表面来包容被测圆柱表面，实际圆柱面被测表面至最小外接圆柱面的最大偏移量即为圆柱度误差值。此评价方法是适用于评价外表面圆柱度误差的一种方法，采用此方法的评价结果一般略大于按最小区域法评价得出的圆柱度误差。133最大
16、内接圆柱法最大内接圆柱法评定圆柱度误差，是用最大内接圆柱表面接近被测圆柱表面，实际圆柱面被测表面至最大内接圆圆柱面的最大偏移量即为圆柱度误差值。此方法是适用于评价内表面圆柱度误差的一种方法，采用此方法的评价结果一般略大于按最小区域法评价得出的圆柱度误差。134最小二乘法最小二乘圆柱面是指实际圆柱面上各点至假想圆柱面的径向距离的平方和为最小时的假想圆柱面。最小二乘法评定圆柱度误差，是指以该最小二乘圆柱面为理想圆柱面，计算被测的实际圆柱面至最小二乘圆柱轴线的最大距离与最小距离之差即为圆柱度误差，其是以实际圆柱面相对于理想圆柱面的变动量误差的一种评定方法9。上述 4 种评定圆柱度误差方法，在实际应用中根据工件的情况会比较复杂，为了便于采点和测量，一般采用近似的方法来找出理想要素，比如用最小二乘法来拟合实际理想要素。在实际圆柱度测量应用中，理想要素就是圆柱面的轴心线，这也是测量圆柱度误差是否准确的关键。14采样点方案分析为了获得圆柱度误差的真实可靠评价，就需要在工件上获取一组能够反映实际情况的测量点，以确定测量方案。工件在圆周线和素线轮廓2 个方向的谐波成分将决定覆盖工件的理论最小采样点密度1